用PLC实现对机械手的控制毕业设计论文 精品推荐.docx
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用PLC实现对机械手的控制毕业设计论文精品推荐
毕业设计（论文）报告
题目：
用PLC实现对机械手的控制
系别中德机电学院
专业机电一体化技术
班级机电1104
学生姓名厉登超
学号100111271
指导教师张如萍
无锡科技职业学院
2014年4月
用PLC实现对机械手的控制
摘要:
机械手是一种为了适应生产过程自动化发展起来的新型装置。
它综合运用了自动控制技术、检测传感技术、计算机技术，机械手可以实现在有限空间对象物体的抓取、放置和搬运，动作灵活，广泛应用在有毒、有害等不适宜人操作的场所。
本文首先对机械手的控制现况进行了分析，介绍了经常使用的机械手控制形式，详细描述了利用西门子S7200PLC控制工业产业中常见机械手的设计过程，包含对PLC控制系统的硬件和软件的设计，实现了机械手在推料口之间工件运输作用。
该机械手运输功能由机构的左右运动、上下运动和加紧松开运动协调动作来实现，本系统具有手动和自动操作模式。
关键字:
PLC，机械手。
ToAchieveControloftheManipulatorUsingPLC
ABSTRACT:
Anewassemblydevelopedmechanicalhandismechanization,automationoftheproductionprocess.Itistheautomaticcontrolproductsetautomaticcontrolskills,skills,newsensormeasurementskills,computermanagementskillsinoneofthe.Inspacemanipulatorcanbecaught,put,transportingobjects,actionsareflexibleanddiverse,widelyusedinindustrialproductionandotherareas.
Thispaperfirstanalyzesthemanipulatorcontroloverthesituation,introducedthecommonlyusedmanipulatorcontrol,adetaileddescriptionoftheuseofsiemensS7200PLCinchargeofindustrycommonmanipulatorplanningprocess,includingonPLCcontrolsystemhardwareandsoftwaredesign,completedthemechanicalhandinbetweenthetwoworkstationworktransportfunction.Themachinehandtransportfunctionbytheleft,right,up,down,stepupandrelaxsixmotioncoordinatedactiontorealize,thesystemhasmanualandautomaticoperationmode.
KEYWORDS:
PLCManipulator
前言
机械手可以模仿人的手和手臂的运动的一种自动操作装置。
机械手是首先呈现的产业机器人，也是最早呈现的呈现机器人，它可替代人沉重劳动以完成生产的机械化和自动化，能够在有害的状况下操纵以保护人身安全。
由于电子技术的发展，机械手控制的智能化是未来的发展趋势。
机械手的特点是通过编程完成预期的工作，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和在任何环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手基于机械自动化生产过程中发展起来的一种新式装置，机械手被普遍的运用于自动化生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术领域内快速发展起来的一门新兴的产业。
机械手虽然不如人手柔性好，但它具有不怕疲劳，不怕危险，可用在重复的动作或危险有害的工作场所，因此，机械手会越来越广泛地得到应用。
第一章机械手控制过程的设计
1.1机械手的控制要求
设计其结构如图所示
图1-1坐标式机械手运动原理图
如图所示，将物体从位置A搬至位置B图中设置6个行程开关SQ1—SQ6，9磁传感器B3-B11用于检测工件是否到位、机械手臂的位置及机械手卡爪的夹紧、放松状态，其中SQ3、SQ4为机械手左移和右移接近开关；SQ5、SQ6为机械手上升和下降接近开关；B3、B4分别为机械手夹紧放松检测开关；B5、B6、B7分别为气缸伸出与缩回检测开关；B8、B9、B10、B11分别为工件检测开关。
机械手搬运过程中要求能够实现自动与自动控制的切换，利于对设备调整和维护。
如下图所示的是机械手操控系统的流程图。
图1-2机械手操控系统的流程图
1.2机械手控制系统结构图
根据机械手的运动以及控制方式，设计机械手控制系统的结构框图，如下图所示，
Z轴步进电机
X轴步进电机
机械卡爪松紧
机械臂伸缩
推料一伸出
推料二伸缩
步进电机驱动器
气动阀
操作
PLC
检测传感器
触摸屏
图1-3机械手控制系统的结构框图
第二章机械手驱动硬件的设计
2.1PLC的概述
可编程序控制器（PLC），它是以微处理器为基础，归纳了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络节能发展起来的一种通用的产业自动控制装置。
由于显著的优点，已广泛应用于冶金，化工，交通，电力和其他领域，已成为现代工业控制的三大支柱。
在可编程序控制器问世之前，产业控制范畴中继电器掌管占主导地位。
继电器控制具备构造单一、易于操作、价格便宜，在工业生产中利用甚广。
但控制装置体积大，动作缓慢，功能少，特别是因为它依赖于硬件系统，布线的复杂性，通用性和灵活性较差。
2.2PLC的选型
西门子226CPU输入端有24个接口，输出端有16个接口共40I/O点。
可连接7个拓展模块，最大拓展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/0点，它有13K字节程序和数据保存空间，6个独立的30KHz高速计数器，2个独立的20KHz高速脉冲输出，具备PID控制器，2个S-485通讯编程口，具备PPI通讯协定、具有MPI通讯协议和自由形式通讯功能。
用于较高要求的操控系统，具备更多的输入/输出点，更强的模块拓展能力，更快的运转速率和作用更强的内部集成特别功能。
完全可以适用于一些复杂的小型控制系统。
然后考虑冗余设计的要求，需要10%个冗余I/O。
通过系统分析，机械手的控制这一课题有23个输入，15个输出点。
根据PLC的I/O点和存储有冗余和一定沟通能力的选择，在德国西门子S7-200PLCCPU226公司控制选择主机类型，以及S7-200PLCEM223扩展模块2个。
2.3PLC在机械手中的应用
机械手通常应用于动作繁杂的场所用来代替人的重复的操作，从而节约人力的劳动，通常的继电器因为其体积和接口等问题带来的各方面限定，常常被应用于动作单一的电气自动化流水线控制，而PLC凭借其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强，编程简单、利用、维护方便;配合便利、功能强、应用范围广;体积小、重量轻、功耗低等功能被普遍应用于类似机械手的控制动作繁杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种运动的。
2.4驱动系统
本机械手采用步进电机和气动驱动两种驱动方式，X轴和Z轴由步进电机驱动，Y轴（机械臂）伸出和缩回由气缸驱动，工件的夹取和放开由机械爪气缸驱动。
控制系统实现机械手上升，下，左、右协调动作。
步进电机可以实现和现代的数字控制技术系统相结合。
在精度要求不是需求特别高的场合就能够使用步进电机，步进电机可以运用其构造简单、可靠性高和成本低的特征。
步进电动机以其显著的特征，在数字化制造时期发挥着重大的用处。
伴随着差别的数字化技术的发展以及步进电机本身技术含量的不断提高，步进电机在生产过程中的很多领域都获得了利用。
气压驱动由于气源便利，反映快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵便的控制计划，因此被广泛运用在自动化生产中。
本论文设计的机械手电驱动部分采用步进电机驱动。
步进电机与丝杆通过联轴器连接。
机械手的左和右的运动是通过丝杆的旋转来实现的，最终是由步进电机来完成的。
机械臂以的伸缩以及机械卡爪对物体的抓取是通过气缸来完成。
机械手的整个运动过程需要步进电机与气缸的协调运作来完成。
2.4.1.步进电机驱动器
利用、控制步进电机必需由环形脉冲，功率放大等构成的控制系统，其方框图如下图步进电机驱动进程图
图2-1步进电机驱动进程图
2.4.2.步进电机及其驱动器的选型
本设计中采用的的机械手，对其动力源——步进电机的选型主要考虑的方面是电机的尺寸是否能够安装到机械手上，在能安装到机械手上的前提下，尽量选择大功率电机使机械手带负载能力增强，所以本文选择的步进电机以及驱动器分别是DM4250E型和DMD402A型
2.4.3步进电机驱动器与PLC连接示意图
图2-2
图2-3
本机械手PLC的输出+24V经A2（图2-3）的电阻限流后送驱动器的输入。
Q0.0高速脉冲限流后送A3（X轴）驱动器的脉冲输入（PUL+）；QO.2高速脉冲限流后送A3（X轴）驱动器的脉冲输入（DIR+）；Q0.1高速脉冲限流后送A4（Z轴）驱动器的脉冲输入（PUL+）；QO.2高速脉冲限流后送A4（Z轴）驱动器的脉冲输入（DIR+）（图2-2）.驱动器输入端PUL-和DIR-接24V的负端。
2.5机械手控制元器件的选择以及电气的接线原理布局图
2.5.1.元器件型号的选择
序号
名称
型号
生产厂家
数量
1
24V直流电源
DR-120-24
MW
1
2
气缸传感器
CSI-M
AIRTAC
3
3
气缸传感器
CS1-G
AIRTAC
4
4
按钮（绿）
XB22A135
Schneider
1
5
按钮（红）
XB2EA145
Schneider
1
6
急停按钮
JNP4-11ES/S
Schneider
1
7
旋转开关
NP4-11X/S
Schneider
1
8
步进电机驱动器
DMD402A
乐创
2
9
单向断路器
DZ47-60C10
CHNT
1
10
电感式传感器
EV-10MM8XP1
松下
1
11
S7-200PLCCPU226
6ES7216-2AD23-0XB0
西门子
1
12
S7-200PLCEM223
6ES7223-1BM22-0XAOB2
西门子
2
13
行程开关
V-155-1C25
欧姆龙
1
14
步进电机
DM4250E
乐创
1
15
安全断电器
PNOZX1
PILZ
1
16
中间继电器
RXM4LB2BD
Schneider
1
17
微动开关
YBLXW-5111D1
CHNT
1
18
警示灯
XVGB3T
Schneider
1
19
人机界面
MT6070IH
Weinview
1
20
双向断路器
T1B1-63C25
TCL
1
21
电感传感器
XS50B1NAL2
施耐德
3
表2-4
2.5.2.电动元器件控制部分接线
根据机械手的控制要求，设计机械手控制部分接线原理图，如下图所示，
图2-5
图2-5所示，1Y1为控制机械臂伸出的电磁阀；1Y2为控制机械臂缩回的电磁阀
U2:
Q0.5输出信号，1Y1为“1”，机械臂伸出；
U2：
Q0.6输出信号，1Y2为“1”，机械臂缩回。
图2-6
图2-6所示，2Y1为控制机械卡爪松开的电磁阀；2Y2为控制机械卡爪抓取的电磁阀。
3Y1为控制推料装置1伸出的电磁阀。
4Y1为控制推料装置2伸出的电磁阀；4Y2为控制推料装置2缩回的电磁阀。
U3:
Q0.0输出信号，2Y1为“1”，机械爪松开；
U3:
Q0.1输出信号，2Y2为“1”，机械爪抓取。
U3:
Q0.2输出信号，3Y1为“1”，推料装置1伸出。
U3:
Q0.3输出信号，4Y1为“1”，推料装置2伸出；
U3:
Q0.4输出信号，4Y2为“1”，推料装置2缩回。
图2-7
图2-7所示，K1为安全继电器，起到了安全的作用
U4:
Q0.1输出信号，红灯亮，机械手紧急停止
U4:
Q0.2输出信号，黄灯亮，机械手暂停工作
U4:
Q0.3输出信号，绿灯亮，机械手正常工作
图2-8
图2-8所示，X轴左极限SQ3；X轴右极限SQ4.Z轴下极限SQ5；Z轴上极限SQ6.
当为“1”时SQ3、SQ4、SQ5、SQ6分别断开，极限保护。
B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7分别为磁性传感器，用于检测气缸伸出、缩回是否到位。
B1，机械臂缩回位，缩回为“1”；B2，机械臂伸出位，伸出为“1”。
B3，机械爪夹取位，夹取为“1”；B4，机械爪松开位，松开为“1”。
B5，推料装置1缩回位，初始位置为“1”。
B6，推料装置2缩回位，缩回为“1”；B7，推料装置2伸出位，伸出“1”。
图2-9
图2-9所示，Pos.1、Pos.2、Pos.3、Pos.4为传感器，检测工件是否到位。
Pos.1（B8），工件检测，有工件为“1”。
Pos.3（B10），工件检测，有工件为“1”。
Pos.2（B9），工件检测，有工件为“1”。
Pos.4（B11），工件检测，有工件为“1”。
S1为手动/自动切换按钮，为“1”时为自动。
S2为循环停止按钮，初始状态为常闭。
图2-10
图2-10所示，S0为紧急停止按钮，初始状态为常开。
OV2为保护开关（复位按钮），正常闭合。
S3为启动按钮，初始状态为常开。
S4为暂停按钮，初始状态为常闭。
第三章机械手控制系统的PLC软件设计
3.1输入点和输出点分配表以及机械手自动模式动作流程图
3.1.1.PLC输入/输出点
机械手传送系统输入和输出点分配，控制电路设计主要是PLC输入、输出接线的设计，其I/O，符号，以及用途分配如下表所示
输入地址
用途
符号
自然状态
输出地址
用途
符号
I0.0
X轴参考点
SQ1
常开
Q0.0
X轴脉冲
x-pul
I0.1
Z轴参考点
SQ2
常开
Q0.1
Z轴脉冲
z-pul
I0.2
X轴左极限
SQ3
常闭
Q0.2
X轴方向
x-dir
I0.3
X轴右极限
SQ4
常闭
Q0.3
Z轴方向
z-dir
I0.4
Z轴下极限
SQ5
常闭
Q0.4
I0.5
Z轴上极限
SQ6
常闭
Q0.5
机械臂伸出
1Y1
Q0.6
机械臂缩回
1Y2
I1.0
机械臂缩回位
B1
缩回“1”
I1.1
机械臂伸出位
B2
伸出“1”
Q2.0
机械爪松开
2Y1
I1.2
机械爪夹取位
B3
夹取“1”
Q2.1
机械爪夹取
2Y2
I1.3
机械爪松开位
B4
松开“1”
Q2.2
推料装置1伸出
3Y1
I1.4
推料装置1缩回位
B5
初始位“1”
Q2.3
推料装置2伸出
4Y1
I1.5
推料装置2缩回位
B6
缩回“1”
Q2.4
推料装置2缩回
4Y2
I1.6
推料装置2伸出位
B7
伸出“1”
Q3.0
安全继电器复位
K1
I3.0
Pos.1工件检测
B8
有工件1
Q3.1
指示灯（红）
H1
I3.1
Pos.2工件检测
B9
有工件1
Q3.2
指示灯（黄）
H2
I3.2
Pos.3工件检测
B10
有工件1
Q3.3
指示灯（绿）
H3
I3.4
手动/自动
S1
常开
I3.5
循环停止
S2
常闭
I3.6
Pos.4工件检测
B11
有工件1
I4.1
紧急停止
S0
常开
I4.2
安全继电器
OV2
正常闭合
I4.3
启动
S3
常开
I4.5
暂停
S4
常闭
表3-1
3.1.2.触摸屏输入/输出点
根据机械手的运动状态设计机械手在触摸屏存储地址输入/输出地址，其名称，屏号以及功能如下表所示
1）机械手触摸屏输入变量表
序号
屏上名称
存储地址
所在屏号
功能
状态
1
复位按钮
M10.5
初始界面
位状态设定
按下瞬时为1
2
X-回零
M11.3
手动操作
位状态设定
按下瞬时为1
3
Z-回零
M11.4
手动操作
位状态设定
按下瞬时为1
4
X轴回零起始方向
M6.4
手动操作
位状态切换
按下0-1切换
5
Z轴回零起始方向
M6.1
手动操作
位状态切换
按下0-1切换
6
推料1
M106
手动操作
位状态切换
按下0-1切换
7
机械手升降
VW300
手动操作
多状态切换
按下0-1-2间切换
8
机械手左右
VW302
手动操作
多状态切换
按下0-1-2间切换
9
机械爪松夹
VW304
手动操作
多状态切换
按下0-1-2间切换
10
机械臂伸缩
VW306
手动操作
多状态切换
按下0-1-2间切换
11
推料2伸缩
VW308
手动操作
多状态切换
按下0-1-2间切换
12
Pos.2X轴坐标设定
VD900
参数设定
数字输入
32位存储器
13
Pos.3X轴坐标设定
VD904
参数设定
数字输入
32位存储器
14
Pos.2夹取Z轴座标
VD908
参数设定
数字输入
32位存储器
15
Z轴上升坐标设定
VD912
参数设定
数字输入
32位存储器
16
Pos.3放工件Z轴坐标
VD916
参数设定
数字输入
32位存储器
序号
屏上名称
存储地址
所在屏号
功能
状态
1
复位按钮
M10.5
初始界面
位状态设定
按下瞬时为1
2
X-回零
M11.3
手动操作
位状态设定
按下瞬时为1
3
Z-回零
M11.4
手动操作
位状态设定
按下瞬时为1
4
X轴回零起始方向
M6.4
手动操作
位状态切换
按下0-1切换
5
Z轴回零起始方向
M6.1
手动操作
位状态切换
按下0-1切换
6
推料1
M106
手动操作
位状态切换
按下0-1切换
7
机械手升降
VW300
手动操作
多状态切换
按下0-1-2间切换
8
机械手左右
VW302
手动操作
多状态切换
按下0-1-2间切换
9
机械爪松夹
VW304
手动操作
多状态切换
按下0-1-2间切换
10
机械臂伸缩
VW306
手动操作
多状态切换
按下0-1-2间切换
11
推料2伸缩
VW308
手动操作
多状态切换
按下0-1-2间切换
12
Pos.2X轴坐标设定
VD900
参数设定
数字输入
32位存储器
13
Pos.3X轴坐标设定
VD904
参数设定
数字输入
32位存储器
14
Pos.2夹取Z轴座标
VD908
参数设定
数字输入
32位存储器
15
Z轴上升坐标设定
VD912
参数设定
数字输入
32位存储器
16
Pos.3放工件Z轴坐标
VD916
参数设定
数字输入
32位存储器
表3-2
2）机械手触摸屏输出变量表
序号
屏上名称
存储地址
所在屏号
功能
状态
1
第1步
M13.0
自动操作
位状态显示
第1步闪烁
2
第2步
M13.1
自动操作
位状态显示
第2步闪烁
3
第3步
M13.2
自动操作
位状态显示
第3步闪烁
4
第4步
M13.3
自动操作
位状态显示
第4步闪烁
5
第5步
M13.4
自动操作
位状态显示
第5步闪烁
6
第6步
M13.5
自动操作
位状态显示
第6步闪烁
7
第7步
M13.6
自动操作
位状态显示
第7步闪烁
8
第8步
M13.7
自动操作
位状态显示
第8步闪烁
9
第9步
M14.0
自动操作
位状态显示
第9步闪烁
10
第10步
M14.1
自动操作
位状态显示
第10步闪烁
11
第11步
M14.2
自动操作
位状态显示
第11步闪烁
12
第12步
M14.3
自动操作
位状态显示
第12步闪烁
13
第13步
M14.4
自动操作
位状态显示
第13步闪烁
14
第14步
M14.5
自动操作
位状态显示
第14步闪烁
15
第15步
M14.6
自动操作
位状态显示
第15步闪烁
16
第16步
M14.7
自动操作
位状态显示
第16步闪烁
17
暂停
M5.2
自动操作
位状态显示
暂停时闪烁
18
X轴坐标
VD1000
数值显示
X轴当前坐标值
19
Z轴坐标
VD1004
数值显示
Z轴当前坐标值
20
当前步
VB200
自动操作
当前步号显示
当前步号值
表3-3
3.1.3自动模式动作流程图
根据机械手自动模式的动作要求，设计自动模式机械手的动作流程图，具体的步骤以及要求如下图所示，
图3-4
3.2控制程序
机械手控制程序主要包括2个子程序，即手动操作和自动操作程序。
为了实现机械手自动/手动切换，本程序建立了一个手动与自动操作转换按钮（I3.4），没有操作为手动操作，操作则为自动操作。
3.2.1机械手控制主程序
机械手控制主程序以及相应的功能如下图所示，
M4.5为X轴右限保护，为“1”时极限保护；
M4.6为X轴右限保护；
M3.5为Z轴上限保护；
M3.6为Z轴下限保护。
此模块用于传递机械手运动过程中的全局参数，启动/停止频率为400，最大频率为1500，最大减速时间为2.5S，M3.5,M3.6，M4.5，M4.6分别为机械手ZX上的限位开关，VD100为X,Z上的绝对位置
对机械手的整个系统进行保护
I3.4.用于机械手手动与操作自动操作之间的转换，为点触式按钮，不对其操作位手动，对其操作为自动
3.2.2机械手手动操作程序
机械手控制
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